矿用刮板输送机的模糊PID控制调直方法研究_吴新佳.pdf

收稿日期2020-04-05 作者简介吴新佳 （1965） ， 男， 副教授。 矿用刮板输送机的模糊PID控制调直方法研究 吴新佳 1 （郑州铁路职业技术学院机电工程学院 河南 郑州 450052） 摘要为了提高矿用刮板输送机的直线度， 降低其运输阻力， 提出一种矿用刮板输送机布置角度与形态解 析算法， 同时搭建模糊PID算法。将中部槽连接耳处空隙误差与各段矿用刮板输送机之间通过哑铃销连接的误差 结合， 由数学模型计算出各液压支架对刮板机进行推溜所需要的流量， 通过模糊算法与PID的输出进行融合计算， 实现了模糊 PID算法对液压缸工作时间的调整， 并通过 MATLAB 2018a与 LMS-Samtech进行调直效果的仿真。所 有试验中的平均偏差均较小， 不超过5 mm， 证明了本研究中模糊PID控制调直方法能较好地实现了矿用刮板输送 机的调直效果。研究结果为综采面的全面自动化提供了前期研究， 同时对于降低因刮板机直线度偏差过大造成的 事故具有积极预防意义。 关键词模糊算法PID矿用刮板输送机调直 中图分类号TD528文献标志码A文章编号1001-1250 （2020） -08-142-05 DOI10.19614/ki.jsks.202008023 Research on Fuzzy PID Control Straightening of Scraper Conveyor in Mine Wu Xinjia2 （School of Mechanical and Electrical Engineering， Zhengzhou Railway Vocational Technical College， Zhengzhou 450052， China） AbstractIn order to improve the straightness of scraper conveyor and reduce its transportation resistance，an analytic algorithm for the layout angle and shape of scraper conveyor was proposed and a fuzzy PID algorithm was built at the same time． Combining the gap error at the connecting ear of the middle groove with the error of connecting each scraper conveyor through the dumbbell pin，the flow required for the scraper to be pushed by hydraulic supports is calculated from the mathe⁃ matical model， and the fuzzy algorithm and PID output are integrated to calculate， so as to realize the adjustment of the work⁃ ing time of the hydraulic cylinder by the fuzzy PID algorithm． MATLAB 2018a and lms-samtech are adopted to simulate the straightening effect． The average deviation in all tests is low，no more than 5 mm，which proves that the fuzzy PID algorithm and the research process in this study can achieve the straightening effect of scraper conveyor well． The research results pro⁃ vide a preliminary study for the comprehensive automation of the fully mechanized face， and have a positive preventive signif⁃ icance for reducing the accidents caused by the excessive straightness deviation of the scraper． KeywordsFuzzy algorithm， PID， Scraper conveyor， Straightening 总第 530 期 2020 年第 8 期 金属矿山 METAL MINE Series No． 530 August2020 采矿过程中的矿用刮板输送机与采矿机械需要 密切配合， 其直线度偏差过大不仅加剧综采设备运 行所需的能耗， 同时当偏差程度过大时， 会存在链条 卡死、 断裂的风险 ［1-3］。故保证刮板机直线度对于工 作面安全、 高效作业有着积极作用。 按偏差的比例 （P） 、 积分 （I） 和微分 （D） 进行控制 的PID （Proportion Integration Differentiation） 控制器是 一种自动控制器， 其在矿业工程、 电子科学、 农业工 程等领域有着广泛的应用 ［4-6］。Ines等将PID控制方 法应用于旋回破碎机的给料率、 转速， 最终对两者进 行了精确控制， 实现了高效低耗的破矿目标 ［7］。Ki⁃ ran等通过EDEM发现磨机给料率与生产率为非线性 关系， 利用Caps GNN建立磨机的数学模型， 对其磨机 的生产率进行预测， 通过模糊PID算法对不同工况条 件下磨机给料率进行了调节 ［8］。Anastasia等将Fluent 与PID算法融合， 分析了不同湿度情况下破矿时矿物 的破碎键数目变化情况， 从而对破碎机的转速进行 实时调整 ［9］。本研究通过建立模糊PID模型。将中 机电与自动化 142 ChaoXing 部槽连接耳处空隙误差与各段矿用刮板输送机之间 通过哑铃销连接的误差结合， 由数学模型计算出各液 压支架对刮板机进行推溜所需要的流量， 通过模糊算 法对PID的输出进行融合计算， 以期实现模糊PID模 型对液压缸工作时间的控制， 达到矿用刮板输送机调 直的效果， 为综采面的全面自动化提供前期研究， 并 降低因刮板机直线度偏差过大造成的事故率。 1矿用刮板输送机姿态计算 本研究提出将每段矿用刮板输送机刮板的正中 间位置按照采矿机械行走方向进行连接， 用来表征 其弯曲程度， 见图1。 由于采矿机械的运动轨迹与刮板机的布置相互 重合 ［10］， 因此需要将所采集到的采矿机械三维坐标 解析到绝对坐标系下， 刮板机在x、 y、 z方向下的转动 角度分别记为α、β、γ， 其归总为角度总变化λ []λ1,λ2,λ3 T。则当前时刻n的 λ与其之间的关系为 λn ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ λ1 λ2 λ3 ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ tan αk 2 - tan βk 2 tan γk 2 A tan γk 2 tan βk 2 tan αk 2 A tan βk 2 tan αk 2 tan γk 2 A ， （1） 其中，A 1 - tan αk 2 tan βk 2 tan γk 2 ． 上式结合Rodrigues 算法实时对矿用刮板输送机当前 布置角度开展解析计算 ［11-13］。 推杆在对矿用刮板输送机产生推动时， 由于其 作用在输送机中部槽， 以及相邻刮板机之间通过哑 铃销连接 ［14-17］。在推移的过程中， 相对于矿用刮板输 送机中部点S， 矿用刮板输送机运行方向 （T） 与竖直 方向的角度偏差 （Z） 可表达为 ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■■ ■ ■ ■ ■ ■■ ■ TS t TS0 t ∑ i 1 2J - 1 []Lcosα,Lsinα Q1→ ←∑ i 1 2J - 1 []LKsinαi,LK1 - cosαi Q1O1,αi0 ，（2） ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ZS t TS0 t ∑ i 1 2J - 1 []Lcosβ,Lsinβ Q1 → ←∑ i 1 2J - 1 []SKsinβi,LK1 - cosβi Q1P1,βi 0 ， （3） 式中， J表示为当前作用的刮板机总节数； L为单位 刮板机长度LK矿用刮板输送机运行方向的偏离程 度；SK为刮板机竖直方向偏离程度；α为x方向下的 转动角，β为y方向下的转动角，αi为x方向下的转动 角的相对偏差，βi为y方向下的转动角的相对偏差。 O1 ■ ■ ■ ■ ■ ■ 10 0-1 ，O2 ■ ■ ■ ■ ■ ■ 10 01 ，P1 ■ ■ ■ ■ ■ ■ cosα-sinα sinαcosα ，P2 ■ ■ ■ ■ ■ ■ cosαsinα -sinαcosα ，Q1■ ■ ■ ■ ■ ■ cosθsinθ -sinθcosθ ，Q2■ ■ ■ ■ ■ ■ cosθ-sinθ sinθcosθ 。 造成刮板机在液压支架作用下产生直线偏差的 原因主要为连接耳处空隙造成的误差， 以及各段矿 用刮板输送机之间通过哑铃销连接产生的误差， 对 单一段刮板机进行推溜会造成其他段刮板机的连锁 运动。 2模糊PID算法对刮板机的调直研究 从上文研究中得知液压支架对中部槽位置施 力， 因此需要其所移动的距离。由于刮板机在通常 情况下需要调整到直线， 则第n个连接耳可表达为 n INT[]LD L，（4） 式中， INT ［ ］ 为VFP数值函数的一种， 是将一个要取 整的实数 （可以为数学表达式） 向下取整为最接近的 整数；LD与L分别表示当前段刮板机长度与总长度。 则刮板机在工作面前进方向下的移动量Ln可表 示为 Ln ΔLn- Lrn，（5） 式中，ΔLn与Lrn分别表示移动前后刮板机侧板所在位 置。 本研究所建立的模糊PID模型结果如图2。以刮 板机的水平偏差为基础， 与中部槽连接耳处空隙误 差、 各段矿用刮板输送机之间通过哑铃销连接的误 差结合， 通过补偿计算， 再结合相关数学模型计算出 各液压支架对刮板机进行推溜所需要的流量L0， 通过 模糊算法对 PID的比例调节系数kp0、 积分调节系数 ki0、 微分调节系数kd0进行计算， 之后PID的输出对液 压系统的供液量L1进行控制， 这部分流量即作为实 际的流量作用于刮板机上， 又作为这个控制系统的 流量反馈值， 得出流量误差E、 误差变化率EC。 2020年第8期吴新佳 矿用刮板输送机的模糊PID控制调直方法研究 143 ChaoXing 采用直接插标法， 设置控制器的输入与输出分 别为{IB、 IM、 IS、 ZE、 OS、 OM、 OB}， 输入的取值范围分 别如下， 控制器参数的增量分别为Δkp［-3， 3］ ；Δki ［-0.6， 0.6］ ；Δkd［-3， 3］ 。控制器误差E［-3， 3］ 。控 制器误差变化率EC［-12， 12］ 。误差量化因子λE 6 3 2。误差变化率量化因子λE C 6 12 0．5。 参数的增量的比例因子分别为λp 3 6 0．5；λi 3 6 0．5；λd 3 6 0．5。 输入E、 EC以及各个输出的增量Δkp、Δki、Δkd 之间的关系如下 （表1、 表2、 表3） 。 通过上表确定Δkp、Δki、Δkd的取值， 并结合 kp、ki、kd液压支架对刮板机的作用时间。 在MATLAB 2018a平台基础上进行仿真研究， 仿 真的思路如图3。 在MATLAB 2018a的仿真中设施刮板机总长度 为20 m， 每段长度为1 m， PID中kp 30、ki 19、kd 8 ［18-20］， 同时为直观观察调直结果在LMS-Samtech进 行仿真， 最终获得调直前后几何仿真模型 （截取部 分） 与折线图 （图4、 图5） 。 从图5可以发现， 针对刮板机局部的调直效果较 好， 针对矿用刮板输送机总体来说， 当其目标位置均 为40 mm， 通过模糊PID可以较好地将刮板机调整到 40 mm附近。 3试验分析 通过 Visual Studio 对系统的显示界面、 操作界 面、 通信模块进行设计， 执行部件通过PLC S7-200控 制器进行编程 （图6） ， 实现数据的获取、 模糊PID的实 现等功能。最终刮板机调直的效果如图7 （重复8次 试验） 。每次试验与目标形状的平均偏差见表4。 金属矿山2020年第8期总第530期 144 ChaoXing 可以发现， 除了在试验3中的第14段， 试验4中 的第6段， 8次试验中20段矿用刮板输送机形状均在 目标形状附近浮动， 且所有试验中的平均偏差均较 小。因此， 证明了本研究中的模糊PID算法较好地实 现了矿用刮板输送机的调直效果。 4结论 （1） 提出了矿用刮板输送机姿态角度与形态解 析算法。 （2） 建立了模糊PID模型。将中部槽连接耳处空 隙误差与各段矿用刮板输送机之间通过哑铃销连接 的误差结合， 结合数学模型计算出各液压支架对刮 板机进行推溜所需要的流量， 通过模糊算法对PID的 输出进行融合计算， 最终通过模糊PID模型对液压缸 工作时间进行调节。并通过MATLAB 2018a与LMS- Samtech验证了调直效果。 （3） 由试验证明了本研究中的模糊PID算法以及 研究过程较好地实现了矿用刮板输送机的调直效 果。 参 考 文 献 张军， 刘子清．李家湾锰矿倾斜锰矿层俯伪斜柔性掩护支架 长壁采矿工艺 ［J］ ．金属矿山， 2018 （5） 40-43． Zhang Jun，Liu Ziqing． Study and application of long wall mining technology for inclined flexible shield support of inclined Manga⁃ nese Mine［J］ ． Metal Mine， 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